ЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ

A — функциональная схема; б — характеристика переда­чи; в — условное обозначе­ние

А — TV-триггер и T-триггер (при V-1); б — D-триггер; в — DV-триггер; г — RS-григгер

А — функциональная схема; б — условное обозначение

Таблица 4.5

Рис. 4.18. JK-триггер

А — функциональная схема; б — условные обозначения; в — таблица состояний

А — функциональная схе­ма; б — временные диа­граммы; в — условное обозначение; г — преоб­разование в T-триггер

А — с дополни­тельным инверто­ром; б — с запре­щающими связя­ми

А — на логических элементах И — НЕ; б — условное обозначение; в — времен­ные диаграммы; г — RS-триггер на логических элементах ИЛИ — НЕ; 6 — ус­ловное обозначение RS-триггера

А — на логических элементах ИЛИ — НЕ; б — на логических элемен­тах И — НЕ

Таблица 4.3

 

 

 

 

Sn	Rn	Q«	Qrt+1	Режим
				Хранение
				Установка 1
				Установка 0
			—	Запрещено
			—

 

Если обозначить состояние триггера в момент изменения вход­ных сигналов индексом n, а после переключения — индексом (n+1), то закон функционирования триггера (см. рис. 4.12,а) может быть описан табл. 4.3.

Как следует из табл. 4.3, при комбинации 5=1, R = 0 в триггер записывается 1 независимо от его предыдущего состояния. При дру­гом наборе входных сигналов S=0, R = 1 триггер устанавливается в 0. Комбинация 5 = R=0 является нейтральной, поскольку при ней имеет место режим хранения записанной ранее информации.

При нейтральной комбинации сигналов на информационных входах триггер может находиться в одном из состояний устойчи­вого равновесия Q=l, Q = Q или Q=0, Q=l сколь угодно долго. Комбинация S — R=l является запрещенной, так как она приводит к нарушению закона работы триггера и неопределенности его со­стояния. Действительно, при указанной комбинации входных сигна­лов на обоих выходах триггера устанавливается 0. Это состояние не является состоянием устойчивого равновесия и может быть обес­печено только воздействием входных сигналов. Если затем на вхо­ды будет подана нейтральная комбинация сигналов, триггер перей­дет в одно из состояний устойчивого равновесия, но предугадать это новое состояние триггера невозможно, поскольку обычно раз­брос временных параметров логических элементов триггера не­известен.

Для триггера на элементах И — НЕ управляющим действием обладают нулевые уровни информационных сигналов, а не единич­ные, как в рассмотренном случае. Поэтому информационные входы и соответствующие сигналы таких триггеров обозначаются как инверсные (рис. 4.12,6). Закон функционирования R5-триггера на элементах И — НЕ описывается табл. 4.4, которая в отличие от табл. 4.3 приведена в сокращенной форме записи.

Рис. 4.12. Асинхронный RS-триггер:

 

Таблица 4.4

Sn	Rn	Qn+1	Режим
		—	Запрещено
			Установка 1
			Установка 0
		Qn	Хранение

Из табл. 4.4 следует, что комбинация 5=R = 0 является запре­щенной, а комбинация S=R=1 нейтральной. Следовательно если для триггера на элементах ИЛИ — НЕ единичные сигналы на обоих информационных входах запрещены, то для триггера на элементах И — НЕ они разрешены и образуют нейтральную комбинацию. Ну­левые сигналы на обоих входах триггера на элементах ИЛИ—НЕ составляют нейтральную комбинацию, а для триггера на элементах И — НЕ они запрещены.

Указанные особенности триггеров на разных логических элемен­тах следует учитывать при их применении в цифровых узлах.

Быстродействие асинхронного RS-триггера определяется задерж­кой установления его состояния t_т, которая равна сумме задержек распространения сигнала через логические элементы;

Синхронный одноступенчатый RS-триггер отличается от асин­хронного наличием С-входа для синхронизирующих (тактовых) импульсов. Синхронный триггер сестоит из асинхронного RS-триг-гера и двух логических элементов на его входе. Рассметрим работу триггера, построенного на элементах И — НЕ (рис. 4.13,а).

При С — О входные логические элементы 1 и 2 блокированы: их состояния не зависят от сигналов на S- и R-входах и соответст­вуют логической 1, т. е. q_l=q₂=1. Для асинхронного RS-триггера на элементах И — НЕ такая комбинация входных сигналов являет­ся нейтральной, поэтому триггер находится в режиме хранения за­писанной информации.

При С=1 входные логические элементы открыты для восприя­тия информационных сигналов и передачи их на входы асинхронно­го R5-триггера. Таким образом, синхронный триггер при наличии разрешающего сигнала на 5-входе работает по правилам для асин­хронного триггера.

Временные процессы в триггере при его переключении из нуле­вого состояния в единичное иллюстрируются диаграммами на рис. 4.13,6, на которых обозначено: ti, t₂, t_z, t₄ — задержки пере­ключения соответствующих логических элементов; t'_C, t"_c — дли­тельности тактовых импульсов и пауз между ними.

Рис. 4.13. Синхронный RS-триггер:

 

Из диаграмм следует, что минимальное время установления уровня на одном из выходов равно двум задержкам переключения, в нашем примере t1+t3. Однако в расчет длительности тактового импульса следует принимать общее время установления состояния триггера: t^/с>tт=t1+tз+t4 = 3t_зд,р,ср.

Длительность паузы должна быть достаточной для переключе­ния входных элементов 1 или 2: t"с>t_1,2=t_зд,р,ср.

Следовательно, минимальный период повторения тактовых им­пульсов равен 4t_зд,р,ср, а наибольшая частота F=1/4t_3д,р,ср.

Синхронные RS-триггеры строятся и на логических элементах ИЛИ — НЕ (рис. 4.13,г), И — ИЛИ — НЕ и их сочетаниях.

Синхронный двухступенчатый RS-триггер состоит из двух син­хронных одноступенчатых RS-триггеров (рис. 4.14), управляемых разными фазами тактового сигнала.

При С=1 производится запись-информации в триггер первой ступени. В это время триггер второй ступени заблокирован нулевым уровнем сигнала на его С-входе благодаря наличию инвертора, через который тактовый сигнал поступает на вход второй ступени. При С = 0 первая ступень блокируется, а вторая открывается. Информация переписывается из первой ступени во вторую и появля­ется на выходе триггера. Двухступенчатая структура триггера на его условном обозначении отображается двумя буквами Т.

Минимальный период и максимальная частота повторения так­товых импульсов равны: T_с=7t_3д,р,ср; F — 1/T_c.

Другой вариант построения двухступенчатых триггеров с запре­щающими связями между основной и вспомогательной ступенями приведен на рис. 4.14,6.

В триггере с запрещающими связями во время действия такто­вого импульса С=1 информация записывается в основную ступень. Одновременно с выходов первых логических элементов на вход вспомогательной ступени поступают запрещающие сигналы, блоки­рующие перезапись информации из основной ступени во вспомога­тельную. При С=0 эта блокировка снимается, и информация по­является на выходе второй ступени.

D-триггер имеет один информационный вход (D-вход) и вход для синхронизирующего импульса (рис. 4.15). Основное назначение D-триггера — задержка сигнала, поданного на вход. Как и RS-ipnr-гер, он может быть построен на различных логических элементах. Видно, что при С = 0 изменение входного сигнала не сказывается на состоянии триггера, и только при С=1 триггер принимает состоя­ние, определяемое входным сигналом.

Разновидностью D-триггера является DK-триггер, который до­полнительно к D-входу имеет управляющий V-вход (на рис. 4.15,а показан пунктирной линией). При V=1 триггер работает аналогич­но D-триггеру, а при V=0 сохраняет исходное состояние незави­симо от изменения сигнала на D-входе и С-входе.

Широкое, применение в практике построения цифровых устройств находят D-триггеры с динамическим управлением (155ТМ2, 133ТМ2). Они реагируют на информационные сигналы только в момент изменения сигнала на С-входе от 0 к 1 (прямой динамический вход) или от 1 к 0 (инверсный динамический вход).

 

Рис. 4.14. Двух­ступенчатый RS-триггер:

 

Рис. 4.15. D-триггер (DF-тригтер при наличии У-входа):

а — функциональная схема; б — таблица состояний; в — условное обозначе­ние; г — временные диаграммы:

 

Функциональная схема D-триггера с динамическим управлением (рис. 4.16) состоит из трех асинхронных RS-триггеров. Два из них, построенные на элементах 1, 2 и 3, 4, называют коммутирующими а третий, на элементах 5, 6 — выходным. Сигналы на выходах коммутирующих триггеров управляют состоянием выходного триггера.

При сигнале С=О на выходах q₂ и q₃ формируется нейтральная для выходного триггера комбинация, и он находится в режиме хра­нения. Изменение информационного сигнала в этот период времени вызывает изменение сигналов на выходах д₄ и q₁. Элементы 2, 3 готовы воспринять эти сигналы, как только появится разрешающий сигнал С=1. В момент его появления изменяются уровни на выхо­дах q₂ и q₃ и устанавливают выходной триггер в новое состояние, соответствующее информационному сигналу на .D-входе в преды­дущем такте.

Если изменение информационного сигнала произойдет во время установления состояния выходного триггера, коммутирующие триг­геры не пропустят его, поскольку нулевой уровень на выходе эле­мента 2 блокирует входы элементов 1 и 3.

Таким образом, назначение коммутирующих триггеров состоит в приеме информации, передаче ее в выходной триггер в момент перепада сигнала на С-входе от 0 к 1 и осуществлении с этого же момента самоблокировки от воздействия информационного сигнала.

В условном обозначении С-входа (см. рис. 4.16,в) направление вершины треугольника указывает на то, что управление триггером производится перепадом сигнала от 0 к 1 (прямой динамический вход). При управлении обратным перепадом вершина треугольника была бы направлена в противоположную сторону (инверсный ди­намический вход).

 

Рис. 4.16. D-триггер с динамическим уп­равлением:

 

Триггер с динамическим управлением нельзя назвать двухсту­пенчатым в принятом ранее смысле, поскольку в нем нет того двух­тактного механизма передачи информации от входов к выходам, который имеет четко выраженный характер в двухступенчатом триг­гере. Поэтому в условном обозначении для таких триггеров преду­смотрена одна буква Т.

Длительность входного импульса должна быть достаточной для переключения элементов 2 или 3 и установления состояния выход­ного триггера, т. е. 3t_3д,р,сР. Длительность паузы должна превы­шать задержки переключения элементов 4 и 1 при изменении ин­формационного сигнала на D-входе, т. е. 2t_3д,р,ср. Таким образом, быстродействие D-триггера с динамическим управлением определя­ется частотой повторения тактовых импульсов, равной F= 1/5t_зд,р,ср.

D-триггер с динамическим управлением может быть использо­ван в качестве Г-триггера, для этого необходимо информационный вход D соединить с инверсным выходом Q (рис. 4.16,г).

Т-триггер (триггер со счетным входом, этот вход обозначается буквой Т) — это триггер с одним входом, изменяющий свое состоя­ние с приходом каждого входного импульса.

При реализации Г-тригтера на потенциальных логических эле­ментах в основу может быть положен двухступенчатый RS-триггер, поскольку он обеспечивает требуемую для работы Т-триггера за­держку в передаче информации от входов к выходам: С-вход вы­полняет роль Т-входа, a S- и R-входы необходимо соединить пере­крестными обратными связями с выходами триггера (рис. 4.17).

 

Рис. 4.17. T-триггер (TV-триггер при наличии V-входа):

 

Разновидностью Г-триггера является ГУ-триггер, имеющий до­полнительный управляющий вход V (на рис. 4.17,а показан пунктиром). При сигнале V=1 ТТ-триггер работает по пра­вилам Г-триггера. При сигна­ле К=0 TV-триггер сохраняет свое состояние неизменным.

JK-триггер имеет два ин­формационных входа: J и К, а также вход для тактовых импульсов С. Правило рабо­ты JK-триггера определяется исходя из табл. 4.5. JK-триггер отличается от синхронного RS-триггера тем, что, во-первых, не имеет запрещенных входных комбинаций и, во-вторых, при комбинации J=K=1 изменяет свое состояние на противополож­ное, т. е. работает в режиме T-триггера. Поскольку JK-триггер обла­дает свойствами RS- и T-триггеров, он может быть реализован на основе синхронного двухступенчатого RS-триггера, с входной логи­кой (рис. 4.18). Одна пара S- и R-входов используется для об­ратных связей, как в T-триггере. 5- и R-входы другой пары служат для приема информации и получают обозначение J и К.

сп	Jn	кп	Qn+1	Режим
			Qn	Хранение
			Q«	Хранение
			Qn	Хранение
			Qn	Хранение
			Qn	Хранение
				Установка 1
				Установка 0
			Qn	0 — >1 или 1 —>0

Рис. 4.19. JК-триггер с входной логикой:

Рис. 4.20. Использование JK-триггера в качестве триггеров других видов:

 

Распространенный вариант реализации JK-триггера представ лен на рис. 4.19. В его схеме в качестве входных элементов втооой ступени применены логические элементы Э₁ и Э₂, реализующие опе­рацию x₁+x₂, называемую импликацией. Нетрудно видеть что при сигнале С=1, когда информационные сигналы устанавливают со стояние первой ступени, вторая ступень блокирована При сигнате С=0, когда первая ступень закрыта для входной информации вто рая ступень, напротив, открывается и воспринимает состояние первой ступени. Примером может служить JK-триггер 134 серии выполненный по рассмотренной схеме.

Обычно триггеры имеют один или два установочных входа ко­торые предназначены для установки триггера в требуемое начяль ное состояние. Установка осуществляется сигналами, которые по­ступают, как показано на рис. 4.19, непосредственно на входы RS триггеров первой и второй ступеней. Если триггеры построены на элементах И — НЕ, то сигналы должны иметь вид отрицательного импульса напряжения между уровнями 1 и 0. Установочные входы получаются инверсными, что отражено на условном обозначении триггера. При реализации триггера на элементах ИЛИ — НЕ уста­новочные входы будут прямыми и для установки триггера в какое-то состояние необходимо на соответствующий вход на короткое время подать сигнал с единичным уровнем. Причем установка про­изводится независимо от наличия или отсутствия синхронизирующего импульса, т. е. является асинхронной.

Триггеры с установочными входами принято называть комби­нированными DRS-RST-JKRS-триггерами. Часто встречаются триг геры с входной логикой. Примером может служить JK-триггер на рис. 4.19,а. Он имеет по три конъюнктивно связанных входа J и входа К, т. е. в его структуру встроены логические элементы Такие триггеры необходимы, как будет показано в § 4.5, для построения счетчиков с параллельным переносом. На основе JK-триггера можно с помощью внешних соединений его выводов (рис. 420) получить триггеры других видов. В этом смысле JK-триггер называют уни нереальным.

Триггер Шмитта имеет один информационный вход и один вы­ход. Один из его вариантов представлен на рис 4 21 а Два инвертора, соединенные последовательно и охваченные положи тельной обратной связью, образуют триггер, характеристика пеое дачи которого имеет гистерезис (рис. 4.21,6). Ширина петли гисте­резиса Де определяется выражением

Де=е_п1 — e_n2=(Uⁱ₂—U°₂)R₁/R₂,

где e_п1 — пороговое напряжение срабатывания триггера е_п2 — пооо-говое напряжение отпускания; U¹₂, U°₂ — выходные напряжения ло­гической 1 и логического 0.

Рис. 4.21. Триггер Шмит-га:

 

Триггеры Шмитта обычно используют для формирования пря­моугольных импульсов из колебаний произвольной формы. Выпол­нять функции элемента памяти триггер Шмитта не может.

 

 

Логическими или комбинационными называют функциональные узлы, которые построены только на логических элементах и не содержат элементов памяти (триггеров). Состояние логического функционального узла однозначно определяется комби­нацией входных сигналов и не зависит от предыдущего состояния. К логическим относятся такие цифровые узлы, как шифраторы, де­шифраторы, сумматоры, устройства сравнения (компараторы), мультиплексоры, преобразователи кодов и др. [14, 37].